生活污水排放量巨大，截至2022年底，全國城市生活污水排放量為639.3億m3，處理行業(yè)碳排放量超過53.0 Mt CO2e/年。依賴高能耗凈化污染物的傳統(tǒng)生活污水處理工藝，已難以滿足“減污降碳”和資源化利用國家戰(zhàn)略需求。因此，亟需新型低碳綠色處理技術(shù)。
相比較而言，微藻處理技術(shù)因其低碳高效高資源化利用優(yōu)勢，在“污水綠色生產(chǎn)工藝”方面，展現(xiàn)良好應(yīng)用潛力。但是當(dāng)前微藻處理技術(shù)研究多限于實(shí)驗(yàn)室水平，缺乏相關(guān)反應(yīng)器現(xiàn)場中試尺度運(yùn)行研究，難以有效指導(dǎo)該技術(shù)規(guī)模化應(yīng)用。針對這一瓶頸問題，中國科學(xué)院成都生物研究所合成微生物組與污水資源化創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在已有研究基礎(chǔ)上，在海天水務(wù)集團(tuán)股份公司支持下，于西南某市政污水處理廠，開展室外260 L管式光生物反應(yīng)器（Tubular photobioreactor,TPBR）藻菌體系（Microalgae consortium,MC）中試處理研究，并對比常規(guī)曝氣柱式光生物反應(yīng)器（Aeration photobioreactor,APBR）處理過程，探索小球藻和污染物負(fù)荷聯(lián)合影響下微生物共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)特征，解析微生物群落演替及氮循環(huán)功能變化。
圖 1 異養(yǎng)硝化/好氧反硝化作用于藻菌脫氮過程中的協(xié)同與競爭關(guān)系
在TPBR中，隨著實(shí)際生活污水進(jìn)水量從50 L增加到150 L，MC從懸浮體系轉(zhuǎn)換成微藻-微生物生物膜（Microalgae-microbial biofilm,MMBF），并保持良好處理性能。通過微藻和微生物共進(jìn)化形成協(xié)同處理體系，TPBR保持高效去污效率（圖2）。經(jīng)過24 h間歇循環(huán)處理后，出水穩(wěn)定達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）I級A類標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)MMBF受進(jìn)水沖擊脫落后，TPBR處理效率下降。
圖 2 管式光生物反應(yīng)器和曝氣柱式光生物反應(yīng)器污染物去除效果
對藻際環(huán)境微生物群落分析發(fā)現(xiàn)，在穩(wěn)定MMBF體系中，微藻與進(jìn)水污染物負(fù)荷共同塑造MC共現(xiàn)模式，并呈現(xiàn)隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)特征。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)MMBF生物膜結(jié)構(gòu)能同時增強(qiáng)藻菌異養(yǎng)同化和協(xié)同好氧脫氮作用，并且適度增加進(jìn)水污染負(fù)荷會促進(jìn)微生物種群多樣性和相互作用強(qiáng)度，但是當(dāng)超出處理限額后則會引發(fā)氮循環(huán)微生物失衡和MMBF非穩(wěn)態(tài)。此外，表現(xiàn)階段功能的異養(yǎng)硝化-好氧反硝化（Heterotrophic nitrification-aerobic denitrification,HN-AD）細(xì)菌是維持MMBF平衡的關(guān)鍵。特異階段功能的改變影響了它們與微藻的共生關(guān)系，在穩(wěn)定處理階段，微藻生物量的積累和O2釋放促進(jìn)好氧反硝化作用，從而維持Stage_I（K00368）和Stage_II（K02567和K02568）高反硝化相關(guān)基因豐度，強(qiáng)化藻菌協(xié)同脫氮。同時，MMBF中氮循環(huán)微生物在固氮（K02586、K02588和K02591）、有機(jī)氮代謝（K01915和K05601）和同化硝酸鹽還原（K02567和K02568）方面表現(xiàn)出較強(qiáng)代謝功能。
圖 3TPBR中MMBF藻菌體系微生物種群共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和氮循環(huán)相關(guān)基因分析
上述研究成果發(fā)表于SCI一區(qū)TOP期刊Bioresource Technology (https://doi.org/10.1016/j.biortech.2024.131151)。碩士研究生李盼為第一作者，李欣副研究員為通訊作者。本研究得到蘭州重離子加速器設(shè)備支持，以及四川省科技支撐計(jì)劃、成都市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國科學(xué)院青年促進(jìn)會與“西部之光”項(xiàng)目等聯(lián)合資助。